数码相框的LED背光设计

近年来传统纸质相片相框的吸引力已日渐消退，随着数码相机和手机相机的普及，数码相框市场正方兴未艾。

         数码相框具有内置的扬声器和耳机，可以通过MP3功能实现动人的画面，由此我们不难预计相当比例的传统相框将被数码相框取代。此外，一旦数码相框的价格开始回落，其流行风潮必将很快到来。

         正是基于上述原因，许多公司纷纷推出了最新的数码相框模型。本文将介绍美国国家半导体针对数码相框应用推出的新产品，并着重验证在每种应用中哪种产品最为有效。

         图1是数码相框的功能模块图示例。如图所示，美国国家半导体的许多产品已被应用在LCD偏置电源、LCD BLU(背光模组)、音频和DC/DC模块上。通常数码相框显示器的尺寸为5.6英寸、7英寸和8英寸，其中7英寸和8英寸是主流产品。较大尺寸的数码相框是专门针对广告行业而设计的。本文将主要介绍小尺寸数码相框方案。
   
                                                                图1：数码相框功能模块示意图。

         LCD面板是数码相框的主要组成部分，它带有用于背光照明的白光LED。目前，LM2733和LM27313已被大量用于白光LED BLU解决方案。LM2622被用于LCD偏置，LMH6683则用于视频缓冲。如图1所示，音频和其它解决方案也可用于数码相框产品。

白色LED背光解决方案

         图2和图3显示了用于8英寸数码相框LCD的白光LED背光电路。在设计LED背光驱动电路时，最重要的问题是在LED正向偏置时保持恒流。由于LED是电流驱动型器件，光照强度取决于传导电流的大小。为保证光照强度并提高LED的使用寿命，就必须保持恒定的电流。
  
   
                                                            图2：8英寸LCD中的3×8阵列LED模块驱动电路。

         图2中的LED模块由共24个白光LED组成，这些LED每3个一组串联在一起，分为8列并行连接。市场上有多种类型的LED模块。7英寸机型采用3×7阵列或7×3阵列。8英寸机型分别采用3×8或8×3阵列。由于所需电压和电流取决于这些阵列，因此在设计初期选择合适的LED驱动器是非常重要的。图2是8英寸LCD中LED模块驱动电路的一个示例。
  
   
                                                                       图3：8英寸LCD的8×3阵列LED模块驱动电路。

1. 确定白色LED的规格并定义LED阵列的结构。

         可以通过LED的阵列结构及LED的正向压降和正向电流来选择LED驱动器。如图2所示，用于8英寸LCD BLU的白光LED的规格为：VF(最大值)=4V、IF(最大值)=25mA，阵列结构为3×8。两个LED节点之间的总电压如下：
          总VF=VF×串联LED数=12V
         总IF=IF×并联线路数=25mA×8=200mA

         因此所选LED驱动器的驱动能力必须超过12V、200mA。如图2所示，需采用升压DC/DC解决方案来提供12V的电压，该电路利用DC/DC转换器从12V墙式适配器获得5V恒定电压。如果采用的是升压转换器，则内部FET容量需考虑可用容量，即最大输入电流和最大输出电压。在图2的电路中，所需FET容量可通过以下方法计算。

输出功率为：
POUT=VOUT×IOUT=12×200mA=2.4W

因此所需的输入功率为：

PIN=1.2×POUT=1.2×2.4W=2.88W

         假设转换效率为80%，由于VIN为5V，则所需输入电流为IIN=PIN÷VIN=2.88W÷5V=576mA。因此，内部开关(FET)必须支持12V以上电压及超过576mA的电流。对于8×3的LED阵列，结果为：

总VF=VF×串联LED数=32V
总IF=IF×并联线路数=25mA×8=75mA

         FET的容量必须超过32V、75mA。如果考虑LM2733和LM27313的关键性能，就可以得出表1所列结果：从表中我们可以看出，LM27313不适合8×3的阵列，因为开关的最大可用电压为30V。图2和图3显示，LM2733适用于8×3阵列，LM27313则适用于3×8阵列。
   
   2. 设计恒流电阻(RCC)以持续驱动LED

         如前文所述，保持LED的电流恒定非常重要。在3×8阵列中，所需电流约为210mA。图2中的恒流电阻的阻值可通过下列公式算出：
RCC=FB电压÷总IF=1.23V÷200mA=6.15Ω

         因此采用6Ω的电阻器。在8×3阵列中，所需电流约为90mA，因此图3中恒流电阻的电阻值可以下列公式算出：
RCC=FB电压÷总IF=1.23V÷75mA=16.4Ω
         在这种情况下使用17Ω的电阻器。从图2和图3我们可以看出，通过误差放大器1.23V的反馈参考电压保持FB电压恒定，因此通过RCC的电流能够始终保持恒定。

3. 面向调光控制的有源关断功能

         调光控制是指根据客户的喜好控制显示器光照强度。目前有两种调光控制方法。一种是直接通过LED控制传导电流，另一种是通过控制电源的开/关来导通或关断LED，从而控制LED的导通时间。目前第二种方法更为流行，因为第一种方法的电路较复杂，且始终处于通电状态会缩短LED的工作寿命。如图2和图3所示，可以通过开/关LM2733和LM273133来控制LED的开关，而对LM2733和LM273133的开关控制可通过在SHDN引脚上应用脉冲宽度调制(PWM)得以实现。LED的照明强度可以通过调整脉冲占空比实现精确控制。要记住的是，脉冲频率必须超过20kHz。低于20kHz的频率会使电路输出端的多层陶瓷电容器产生波形振荡，从而产生可听噪声。

4. 需要过电压保护(OVP)

         大多数LED模块是通过一个连接器与主板相连的。如果图2和图3中LM2733和LM27313的输出因误操作或LED模块受损而开路，那么由于误差放大器的负输入端没有信号，输出电压将会无限制地上升。这将造成毁灭性后果，损坏LM2733和LM27313或输出二极管。为解决这一问题，可加入一个过电压保护电路(如图4所示)。
  
   
                                                      图4：搭载过电压保护功能的8×3 LED模块驱动电路。

         在图4中，电阻器R1和R2通过向误差放大器引脚(FB)馈送输出电压，确保恒定输出电压不会无限上升。所增加的电路能够保护器件不被过高的输出电压所损坏。D2的作用是避免R2和RCC在未连接LED模块时形成并联，并防止输出过压，因为R1的阻值相对R2和RCC并联值要大得多。

         因此，在未接入LED模块时，该电路以恒压模式运行；当接入LED模块时，则以恒流模式运行。在采用了R1和R2的恒压模式下，输出电压必须设置得比LED模块的总VF值更高。即，在3×8阵列下，总VF值约为12V，那么R1和R2的输出电压可通过下列等式计算出：

VOUT=1.23(R1/R2+1)

         在这个等式中，我们需将R2设为10kΩ。如果将VOUT设为15V，可得到如下结果：R1=112kΩ。考虑到D2的VF、RCC两个节点上的电压变为1.23+VF。因此，RCC将有所增大，具体如下：

RCC=(1.23V+VF)÷ICC=(1.23V+0.4V)÷200mA=8.15Ω

如果计算RCC的功耗，可得出下列结果：

P=I2×R=0.182×8=0.32W

         由于RCC的功耗高于0.32W，建议采用Wattage电阻器(1W)或并联标准电阻器以提高电路安全性。

面向LCD平板电源的DC/DC转换

         在用于数码相框的典型LCD平板显示器中，输入电源电压约为5.0V。必须提供若干不同的电压，以使显示面板通过该输入电压实现最佳性能，通常情况下需用到升压转换器。美国国家半导体拥有最佳的电源解决方案LM2622。
LM2622是中等尺寸LCD模块电源解决方案的事实标准。我们可以看到利用
LM2622是如何在+5.0V输入电压下实现下列不同电压的：

+8.0V列驱动器模拟电源电压；

+23.0V行驱动器导通电压；

-8.0V行驱动器关断电压。

图5中的电路显示了应如何配置LM2622，以提供8V、-8V和23V的输出电压，这对于偏置TFT显示器而言是非常方便的。
  
   
                                                        图5：8英寸LCD电源的典型偏置电路。

1. +8.0V列驱动器主模拟电压

         通常情况下，列驱动器的模拟电源电压介于+7.5V和+10.0V之间。如图5所示，模拟输出电压由电阻分压器Rfb1和Rfb2控制。由于FB引脚上的电压被内定为+1.26V，为实现红色虚线圈中所示的+8.0V输出电压，建议将RFB1和RFB2的电阻值分别设为40.2kΩ及7.5kΩ：
RFB1=RFB2×(VOUT－1.26V)/1.26V

2. +23V行驱动器开启电压

         这个23V的电源电压被用于行驱动器以打开平板显示器的栅极。如图5所示，仅需若干组件即可实现+23V的电源电压。总体来说，这种配置能够提供三倍于列驱动器输出电压的电压用作开启行驱动器。该方法简单且十分经济，通过搭载电容器电荷泵，可在LM2622上实现23V的电源电压。

3. -8.0V行驱动器关断电压

         为给行驱动器提供用作关断TFT栅极的-8V电源电压，可将LM2622与二极管变频电路结合使用，如图5所示。

视频解决方案

         数码相框离不开视频缓冲器或数字接口。具体解决方案取决于平板输入的类型。美国国家半导体可提供各种解决方案以满足客户对各种模拟解决方案的需求，还能够提供各种视频放大器，如LMH6643、LMH6683和LMH6601等。

          对于数字平板接口应用而言，客户可采用美国国家半导体的各种解决方案。这些解决方案可降低电磁干扰(EMI)，并帮助客户利用SerDes解决方案轻松构建系统。

音频解决方案

          音频是数码相框的重要功能之一，因为数码相框不仅可以显示照片，而且能够实现出色的音频播放。美国国家半导体提供了各种音频解决方案，尤其值得一提的是，内置3D功能能够在小范围内实现优质音效。LM49270就是这种应用的一个典型产品，它可以提供约2W的3D效果。